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- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (5)
- 5.5 Materialmodellierung (5)
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- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (2)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (2)
Eingeladener Vortrag
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The publication is an extended abstract on the modelling of the manufacturing process related residual stresses in type 4 pressure vessels for hydrogen storage. A 2D analytical model based on the classical laminate theory and a 3D finite element model are introduced. The calculated residual stress state after the filament winding process as well as the stress state in service are presented and discussed.
Der Wasserstofftransport auf der Straße ist wichtig und wird wie der noch geringe Transport auf der Schiene weiter stark zunehmen. Die bisherige Effizienzsteigerungen sind über Werkstoff- und Designänderungen vom Vollstahl über umfangsumwickelte Stahl- bis zu Compositespeichern mit Kunststofflinern erfolgt.
Hinzu kam die auf Basis der BAM-GGR 022 an Vorbedingungen geknüpfte Prüffristverlängerung von 5 auf 10 Jahre. Die wiederkehrende Prüfung von großen Transporteinheiten bedeutet jedes Mal einen Stillstand von gut 8 Wochen. Entsprechend steht mit Blick auf die weitere Effizienzsteigerung die Reduktion des Prüfaufwands im Fokus.
Eine Effizienzsteigerung kann nach aktueller Rechtslage geschehen, indem die hydraulische Prüfung auf eine Gasdruckprüfung umgestellt wird. Dies könnte zukünftig mit geeigneten Arbeitsschutzmaßnahmen pneumatisch durchgeführt werden – auch ohne Rechtsänderung.
Ein deutlich größerer Schritt in Richtung Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis ließe sich erreichen, indem die zerstörungsfreie Prüfung nicht mehr nur als Arbeitsschutz-motiviertes, begleitendes, sondern als zentrales Prüfverfahren ausgebaut wird. Gerade wenn – wie für die Schallemissionsanalyse erwartet – eine relativ gute Abschätzung des Berstdruckes möglich ist, könnte auf die 100%-Prüfung verzichtet werden und bis zu einem kritischen Alter nur auf Stichprobenprüfung basieren, was allerdings erhebliche Rechtsänderung erfordert und auch neue Werkezuge der Informationsverwaltung.
Als Vorlage für einen praktischen Ansatz zur Rechtsänderungen inkl. Informationsverwaltung wird auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3ff ADR/RID verwiesen. Dies kombiniert mit einer digitalen Lebenslaufakte, die auf der digitalen Qualitätssicherung (QI-digital) beruht, wäre ein mächtiges Werkzeug für eine Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis und so auch eine Lösung des mit der stark steigenden Anzahl der Transporteinheiten absehbaren Kapazitätsproblems in der wiederkehrenden Prüfung.
Durch Einsatz neuer Technologien im Transport von komprimiertem Wasserstoff konnte eine Verdreifachung des Nutzlastverhältnisses erreicht werden. Diese neuen Speicher auf den Transportfahrzeugen müssten aber anders auf ihre Sicherheit überprüft werden, als dies heute gefordert wird.
Mit dem Markthochlauf Wasserstoff vervielfacht sich zudem die Anzahl der Transporteinheiten. Da sich im Zuge der neuen H2-Transportfahrzeuge aber auch die Anzahl der einzelnen Speicher pro Fahrzeug etwa verzwanzigfacht hat, kommen die Kapazitäten für die erforderliche wiederkehrende Prüfung an ihre Grenzen.
Dies könnte evtl. durch eine entsprechende Erhöhung der Prüfkapazitäten gelöst werden. Da dies aber weder praktisch machbar ist noch technisch wirklich sinnvoll, müssen alternative Ansätze z.B. durch digital erfasste zerstörungsfreie Prüfkonzepte gesucht werden. Hierzu bedarf es aber einer Lebenslaufakte, die beginnend von der Definition einer Bauweise über die Baumusterprüfung, Zulassung, Herstellung, erstmalige Prüfung, Verwendung und wiederkehrenden oder begleitenden Prüfungen bis zum Verschrotten alle Daten erfassen und verwalten kann.
Eine solche Lebenslaufakte könnte auch als eine Art digitaler Produktpass (DPP) verstanden werden.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Mit der Initiative QI-Digital werden völlig neue Perspektiven für das Sicherheitsmanagement und die Qualitätssicherung technischer Anlagen erschaffen. Unsere Forschung im Kontext einer Wasserstofftankstelle zeigt, wie digitale Innovationen und Verfahren die Herausforderungen effizienter und verlässlicher Qualitätssicherung für komplexe Anlagen bewältigen können.
In diesem Vortrag werden Potentiale und Beispiele der digitalen QI für technische Anlagen demonstriert und diskutiert: Moderne Anlagenüberwachung mit digitalen Zwillingen und KI sowie Kalibriermanagement mithilfe digitaler Kalibrierscheine und elektronischem Siegel.
Dr. Mair erläutert, welcher Anwuchs an H2-Bedarf zu erwarten ist, wo er weltweit erzeugt werden könnte und in welcher Form auf grünem Wasserstoff basierende Energieträger transportiert werden können. Es wird deutlich, dass das Transportaufkommen von H2 erheblich anwachsen wird und dass sich alle Seiten, die Regelsetzer und die Industrie darauf vorbereiten müssen.
Danach wird mit Blick auf die Normungsroadmap H2 des DIN der probabilistische Ansatz mit seinem Potenzial, Normen und Vorschriften in ihrer Wirkung zu simulieren und zu bewerten kurz vorgestellt.
Der dritte Block des Vortrages beginnt mit der Definition von Sicherheit, zeigt kurz das mikromechanische Prinzip der Alterung von Composite und greift dann ein Thema auf, dass Dr. Mair bereits 2018 und 2019 in dieser Runde dargelegt hat: Der Aufwand für die klassische Wiederkehrende Prüfung ist enorm und bringt nur wenig Erkenntnis. Es werden graphisch das 5-Jahres 100%-Prooftesting, der Ansatz nach GGR 022 mit seiner zerstörend geprüften Stichprobe und der mögliche Ansatz für eine ergebnisgesteuerte Stichprobenprüfung auf ZfP-Basis miteinander verglichen. Die Unterschiede im Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnis sind enorm. Dabei ist der aufwändigste Ansatz zudem der mit der geringsten Erkenntnistiefe.
Jeder Ansatz, der von einer 100%-Prüfung in einem maximalen Zeitrahmen von 10 Jahren abweicht, also z.B. der Verzicht auf eine 100%-Prüfung während des Betriebes, würde eine Änderung des Regelwerkes erfordern, die zeitnah angestoßen werden müsste. Da es sich hierbei primär um eine Ressourcenoptimierung und nicht um eine Verbesserung der Sicherheit handelt, liegt der Ball bei den Verbänden. Als eine Idee für das Herangehen mit einer Begrenzung auf Druckgefäße, die nach der EN 17339 zulassungsfähig sind (fest montiert, H2 und nur CFK), verweist Dr. Mair auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3/.4 ADR/RID. Bei dem absehbaren Anwachsen des Bestandes an H2-Batteriefahrzeugen, ist hier nicht nur ein Optimierungsaspekt, sondern auch ein Kapazitätsproblem in der wiederkehrenden Prüfung zu lösen. Es würde aber auch ein Mehrwert für die Sicherheit entstehen.
Im Vortrag wird zunächst erläutert, dass auch im Fall der Wasserstoffversorgung die Schadensanalyse, -vermeidung und die wiederkehrende Prüfung von Speichern in engem Zusammenhang stehen.
Der Wasserstofftransport in Deutschland hat bereits deutlich zugenommen und wird in den nächsten Jahren weiter erheblich zunehmen. Dies führt zu einem stärkeren Fokus auf die wirtschaftlichen Aspekte im Transport und der wiederkehrenden Prüfung. Letztere droht, ohne neue technische Ansätze zum Flaschenhals in der Verfügbarkeit vorhandener Transportkapazitäten zu werden.
Das gegenwärtige System der Wasserdruckprüfung bis zum sog. Prüfdruck mit Innen- und Außenbesichtigung etc., die im Normalfall alle 5 Jahre durchzuführen ist, führt zu jeweils etwa 8 Wochen Stillstand. Das Aufwendige dabei sind die Trocknungs- und Spülprozesse, die notwendig sind, um wieder entsprechend reinen Wasserstoff abfüllen zu können. Auf Basis der BAM GGR‘n 021 und 022 lässt sich beim Nachweis entsprechender, probabilistischer Restzuverlässigkeiten diese Frist in Deutschland auf 10 Jahre ausdehnen. Diesen Weg sind in den letzten Jahren viele Betreiber gegangen.
Mit Blick auf die derzeit fast exponentielle Zunahme von Transporteinheiten kann auch diese Verlängerung der Prüffristen das Problem nicht lösen. Auch das Umschwenken von hydraulischer, auf die heute bereits genehmigungsfähige Gasdruckprüfung bis zum Prüfdruck bringt zwar eine Verkürzung der Stillstandzeiten, erfordert aber erhebliches Investment in Schutzmaßnahmen.
Als hinreichend zielführendes Konzept für Transporteinheiten mit vielen Elementen wird im Vortrag eine Mischung aus probabilistischem Ansatz und zerstörungsfreien Prüfungen erläutert und bzgl. Aufwand und Nutzen im Vergleich zu den üblichen Verfahren visualisiert. Voraussetzung für diesen vorgestellten Ansatz sind die Weiterentwicklung und Qualifizierung der Schallemissionsanalyse als Ersatz für die derzeitig zerstörenden Prüfungen und auch eine durchgängig digitale Lebenslaufakte, die eine lückenlose Zuordnung von Baumusterprüfung, Herstellungslos, Betreiber und Betriebsdaten erlaubt.
Für Transporteinheiten mit wenigen, sehr großen Elementen wird dagegen das sog. Online-Monitoring mit fest installierter und permanent messender Technik gesehen.
Für die Anwendung beider Lösungsansätze sind umfangreiche Änderungen im Recht erforderlich.
Das Bundesverkehrsministerium hat seit 2008 in drei Stufen jeweils auf Vorschlag der BAM einen Antrag zur Einführung bzw. Regulierung von Bergungsdruckgefäßen bei den Vereinten Nationen eingebracht. Die Anträge führten jeweils nach der Delegation in eine Arbeitsgruppe unter der Leitung des Vortragenden zu neuen Vorschriften im internationalen Gefahrguttransportrecht.
Zuletzt hat das UN-Subcommittee der Experten für den Transport gefährlicher Güter der Einführung einer Druck-Volumen-Begrenzung für Druckgefäße zugestimmt. Mit dieser Begrenzung wurde die bisherige Volumenbegrenzung für Bergungsdruckgefäße ersetzt, wodurch nun das Spektrum der Bergungsdruckgefäße gestaltet werden kann, das notwendig wäre, um defekte Druckgefäße transportieren zu können.
Das zentrale Kriterium für die Begrenzung des Druck-Volumen-Produktes (pV) fand bereits in den Landverkehrsvorschriften ADR/RID bis zu ihrer Neustrukturierung auch als Konsequenzmaß Verwendung. Damit soll sichergestellt werden, dass sich aus Wasserstofftransporten in Druckgefäßen keine Konsequenz entwickeln kann, die nach den Kriterien für stationäre Anlagen, einer Katastrophe gleichkommen würde.
Hierzu hatte eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen seit 2020 auf Vorschlag der BAM eine Kette aufeinander aufbauende Kriterien diskutiert, die im Vortrag vorgestellt werden:
Einfluss der Druckwellen auf den menschlichen Körper (ohne Splitterwirkung oder Umsetzung der chemischen Energie) – Zusammenhang von Druckwelle und Fläche – Druckwellenberechnung – Bevölkerungsdichte – Grenzwerte für eine Katastrophe – resultierendes pV-Produkt.
Das Ergebnis wurde mit herausragenden Großunfällen und Katastrophen aus dem Gefahrguttransport und Gefahrstoffbereich verglichen. Außerdem wurden noch die Effekte des Temperatureinflusses auf den maximalen Betriebsdruck diskutiert. Zuletzt wurde bei den UN darauf hingewiesen, dass mit Blick auf die Auswirkungsbetrachtung der Wassersoff das Gas mit den geringsten Konsequenzen bei gegeben Druk-Volumen-Produkt ist, was zu restriktiveren Obergrenzen für z.B. Erdgas führen könnte.
Als letzter Punkt im Vortrag wird erläutert, dass in den kommenden UN-Sitzungen über nachfolgende Änderungen im Recht, wie z.B. der Kennzeichnung des pV-Produktes, diskutiert werden wird. Außerdem muss ein neuer Einstieg für die bei ISO in der Normung befindliche Umschließungen mit einem größeren pV-Produkt gefunden werden, wozu aber Transportland-spezifische Risikoanalysen in Verbindung mit massiven Fahrwegsbeschränkungen zu erwarten sind.
Ein Aspekt des Gefahrguttransportes, der an Bedeutung in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Versorgung von Wasserstofftankstellen und anderen H2-Großverbrauchern über die Schiene aber insbesondere über die Straße.
Mit Blick auf die primäre Form der Speicherung wird der Begriff der Sicherheit über den Aspekt der Häufigkeit eines definierten Ereignisses erläutert und auf die Besonderheiten der Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen hingewiesen, wie auch den regulatorischen Hintergrund der Lebensdauerüberprüfung nach 15 Jahren nach den Vorgaben der zuständigen Behörde. In Deutschland sind diese Vorgaben in der BAM-Gefahrgutregel 021 geregelt, die in der GGR 022 durch eine Regelung zur Wiederkehrenden Prüfung dieser Umschließungen ergänzt wird.
Beide BAM-Gefahrgutregeln basieren auf einem probabilistischen Ansatz und einer Konsequenzabschätzung über das Druck-Volumen-Produkt der Druckgefäße. Die neu im Recht verankerte EN 17339 ist die erste Norm, die speziell fest montierte Compositespeicher für den Wasserstofftransport regelt. Sie ermöglicht eine erhebliche Gewichtreduktion und führt eine Obergrenze für das Druckvolumen ein.
Es wird kurz erläutert, dass gerade mit Blick auf Wasserstofftransporte über eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen eine Begrenzung des Konsequenzpotentials in das internationale Recht eingeführt werden soll und welche Kriterien bei der systematischen Ermittlung des akzeptierten Wertes von 1.5 Mio bar Liter Einfluss haben.
Mit Blick auf die Energiewende sieht es die BAM als besonders wichtig an, die Transportkosten zu senken, indem der Prüfaufwand reduziert und gleichzeitig die Erkenntnistiefe aus der betrieblichen Überwachung verbessert wird. Hierzu muss die Datenbasis für die probabilistische Bewertung der Lebensdauer von zerstörenden Prüfungen auf zerstörungsfreie Prüfungen umgestellt werden und idealerweise die 100% Prüfung zumindest in der ersten Hälfte des sicheren Lebens auf Stichproben reduziert werden.
Dies und andere Aufgaben, die wichtig für eine sichere und attraktive Wasserstoffwirtschaft sind werden von dem Kompetenzzentrum H2Safety@BAM bearbeitet, dass in seinen Grundzügen kurz vorgestellt wird.